Полученная конструкция называется шасси. Рамное шасси в большинстве случаев может даже перемещаться по дороге отдельно от . История рамного шасси уходит корнями к самому началу развития автомобилестроения. Отдельная рама представляла собой полностью автомобильное решение . Конструкторы автомобилей заимствовали эту идею у железнодорожного транспорта. Первые рамы выполнялись из твердых пород дерева. Кроме того, материалом для рам в те годы служили круглые металлические трубы.
В начале двадцатого столетия большой популярностью пользовались рамы с конструкцией из штампованных профилей, имеющих прямоугольное сечение. Ближе к 30-м годам XX века многие компании-производители легковых транспортных средств отказались от использования рам в пользу самонесущего кузова. В наши дни рамные шасси используются в основном на машинах с грузовой платформой и тракторах, однако зачастую рамными конструкциями оборудуются многие внедорожники и лимузины. Последние нуждаются в установке рамы, потому что несущий кузов при такой солидной длине машины оказывается переутяжеленным.
Любой автомобильной раме присуща отличительная особенность с точки зрения конструкции. Она заключается в разделении функций несущих деталей кузова и его панелей, имеющих декоративное значение. Декоративные панели также могут быть оснащены усиливающим каркасом. Такой каркас может располагаться, к примеру, в районе дверных проемов, однако в этом случае он не принимает участия в восприятии силовых нагрузок, которые дают о себе знать во время движения машины. Наиболее распространенной является классификация автомобильных рам в зависимости от используемой несущей структуры. Существуют лонжеронные, хребтовые, периферийные, вильчато-хребтовые, решетчатые рамы, а также несущие конструкции, интегрированные в кузов.
В состав лонжеронной рамы входят несколько поперечин, которые иногда называют «траверсами», пара продольных лонжеронов (так называют главный силовой элемент несущей конструкции, представляющий собой короб сложной формы, выполненный из металла), кронштейны и крепления, предназначенные для установки на них кузова автомобиля и различных агрегатов. Как поперечины, так и лонжероны могут отличаться по конструкции и форме. Выделяют X-образные, К-образные, а также трубчатые поперечины. Их назначение заключается в придании конструкции максимально возможной жесткости. Для изготовления траверс обычно используется гнутый металлический профиль. Для лонжеронов наиболее характерным является переменное по длине П-образное сечение (швеллер). В самых нагруженных участках высоту сечения швеллера увеличивают.
Лонжероны могут располагаться параллельно относительно друг друга или под определенным углом. Кроме того, лонжероны могут устанавливаться изогнутыми в вертикальной либо горизонтальной плоскости. Параллельное расположение используется главным образом на грузовых транспортных средствах. Остальные схемы неплохо подходят для внедорожников – автомобилей, обладающих повышенной проходимостью. За счет установки лонжеронов под углом можно добиться получения максимального угла, на который поворачиваются управляемые . Изгибы в вертикальной плоскости выполняются для снижения центра тяжести. Вместе с этим становится ниже и уровень пола в машине. Благодаря изгибу лонжеронов в горизонтальной плоскости кроме понижения уровня пола достигается существенное повышение уровня пассивной безопасности в случае возможного бокового столкновения.
Для соединения деталей, входящих в состав рамы, между собой используются болты, заклепки. Широкое распространение нашли и сварные соединения. Рамы на заклепках чаще используют в конструкциях грузовых автомобилей, а сварные рамы – при изготовлении легковых машин и самосвалов с большой грузоподъемностью. Болты нашли применение в малосерийном производстве. Лонжеронными рамами оснащаются почти все грузовые машины и внедорожники. Именно популярностью таких конструкций обусловлено то, что под понятием «рама» чаще всего подразумевается как раз лонжеронная несущая система.
Разработка хребтовой рамы была осуществлена чехословацкой компанией «Татра» в 20-х годах прошлого столетия. Именно такими рамными шасси тогда оборудовались многие автомобили, выпускаемые этим предприятием. Основной конструктивный элемент хребтовой рамы – это центральная трансмиссионная труба, на которой объединяются картеры силового агрегата и таких узлов, как , .
Установке такой рамы сопутствует необходимость в оборудовании автомобиля независимой подвеской всех колес, что в большинстве случаев реализуется путем крепления по бокам к хребту пары качающихся (на каждой из них присутствует по одному шарниру). Главным достоинством данной схемы является высокий показатель крутильной жесткости. К тому же, становится возможной беспроблемная разработка всевозможных модификаций автомобилей с разным числом ведущих мостов. Основной недостаток – это сложность ремонта агрегатов, которые жестко закреплены на раме. С этим и связана невысокая популярность хребтовых рам в современном автомобилестроении.
Вильчато-хребтовые рамы
Своего рода разновидностью рассмотренного выше типа рамы является вильчато-хребтовая конструкция. Здесь передняя, а иногда – и задняя части выполняются в виде вилок, образованных парой лонжеронов, служащих для крепления силовой установки и агрегатов трансмиссии. Такая рама отличается от обычной хребтовой тем, что картеры узлов силовой передачи изготовляются отдельно. Многие специалисты относят сюда и так называемые Х-образные рамы, которые иногда называют разновидностью лонжеронных установок.
Периферийные рамы
Периферийная рама также часто рассматривается в качестве разновидности конструкции лонжеронного типа. В центральной части периферийной рамы расстояние между парой лонжеронов делают настолько большим, что после монтажа кузова лонжероны можно обнаружить прямо за дверными порогами. «Ахиллесова пята» такой рамы – это места, где осуществляется переход от увеличенного расстояния между лонжеронами к нормальному. В этих местах монтируются специальные коробчатые усиления, аналоги которым нередко встречаются в машинах с несущим кузовом. Результатом применения периферийной конструкции становится значительное понижение пола кузова, который целиком размещается между лонжеронами, что в итоге обеспечивает уменьшение общей высоты транспортного средства.
Решетчатые рамы иногда называют пространственными или трубчатыми. Такая система представляет собой пространственную ферму, для изготовления которой используются относительно тонкие трубы. Эти трубы выполняются из легированных сталей, отличающихся высокой прочностью. Кроме того, этот материал должен быть легким и прочным на кручение. Трубчатые конструкции нашли применение в гоночных и спортивных машинах, ведь для них одним из важных параметров является минимальная масса при максимальной прочности. Интегрированная в кузов рама конструктивно не имеет существенных отличий от обычной, однако она соединяется с кузовом при помощи сварки.
К главным преимуществам рамных конструкций автомобиля относятся: простота, довольно низкая стоимость, возможность унификации базовых моделей транспортных средств, восприятие серьезных нагрузок при езде, повышение комфортабельности, обеспечение лучшей шумоизоляции. Кроме того, ремонт автомобиля с рамой после дорожно-транспортного происшествия значительно легче, нежели ремонт машины, имеющей несущий кузов. Недостатками рам являются увеличение массы автомобиля (если сравнивать с несущим кузовом), а также худшая пассивная безопасность, связанная с трудностями, возникающими при создании зон запрограммированной деформации.
Каждый автомобиль представляет собой совокупность механизмов и систем, закрепленных на несущей части. Выпускаются автомобили, у которых роль несущей части выполняет , но существуют автомобили, у которых все механизмы и системы устанавливаются на раму.
Автомобильная рама
Рамную конструкцию поначалу использовали на всех типах автомобилей, но со временем при производстве легковых машин стали использовать несущий , а рамы до сих пор продолжают использовать, но только на грузовых автомобилях.
Не отказались и от рамных конструкций и при производстве автомобилей высокой проходимости, поэтому большинство внедорожников тоже обладают рамной несущей частью. Преимуществом использования рамы является обеспечение более жесткой конструкции автомобиля, что в свою очередь дает возможность перевозки больших грузов.
Виды рам автомобилей
Использование рамных конструкций на автомобилях началось практически на заре автомобильной эры. За это время было предложено несколько основных типов рам автомобилей:
- лонжеронная рама;
- и хребтовая.
Каждый из этих типов рам имеют разновидности. Разновидностью лонжеронной рамы является так называемая периферийная. А помимо хребтовых рам выпускались также автомобили с вильчато-хребтовыми рамами.
Лонжеронная рама
Самой распространенной рамной конструкцией является лонжеронная рама.
Устройство лонжеронной рамы автомобиля Toyota Land Cruiser 200:
1 — кронштейн крепления передней подвески; 2 — поперечина; 3 — лонжерон; 4 — кронштейн крепления кузова.
Эта рама состоит из двух лонжеронов, которые располагаются продольно, а также с поперечин. Лонжероны изготовляются из швеллеров с разной высотой сечения. В местах, которые будут более нагружены, высота делается больше.
Поперечины также могут иметь разную конструкцию, встречаются обычные, прямой формы, а также К- и Х-образные. Чтобы обеспечить установку механизмов автомобиля, на лонжероны и поперечины установлены кронштейны и крепления для них. Для крепления элементов рамы между собой могут быть использованы заклепки, болты или сварочное соединение.
Отличительной особенностью периферийной рамы от обычной лонжеронной является то, что при изготовлении лонжеронов их изгибали, что приводило к тому, что посредине между лонжеронами было наибольшее расстояние между ними. Делась это для того, чтобы была возможность расположить днище автомобиля как можно ниже. Использовались такие рамы в Америке при производстве легковых автомобилей.
Хребтовая рама
Рамы хребтового типа для автомобилей были разработаны специалистами компании «Татра». И использовались такие рамы в основном на автомобилях этой компании. Основной несущей частью хребтовой рамы является труба, которая соединяет между собой двигатель и все элементы .
Рама Татры
По сути, силовой агрегат, а также , коробка передач и главная передача являются также и элементами рамы. Крепление всех этих механизмов – жесткое. Крутящий момент от двигателя к элементам трансмиссии выполняет вал, который устанавливается внутри трубы. Использование такой рамной конструкции возможно только при обеспечении всех колес автомобиля независимой подвеской.
Хребтовая рама хороша тем, что обеспечивает высокую жесткость на скручивание, легкое и быстрое создание автомобилей с различным количеством ведущих мостов, но поскольку некоторые механизмы автомобиля находятся внутри рамной конструкции, то и выполнение ремонтных работ довольно затруднительно.
Рамы вильчато-хребтового типа также разработаны сотрудниками «Татра». В данном случае они отказались от жесткого крепления двигателя и трансмиссии к несущей центральной трубе. Вместо этого они с обеих сторон несущей трубы установили специальные вилки, на которые и устанавливаются двигатель с .
Рама (автомобиль)
Рама автомобиля Land Rover III. 2008 год.
У автомобилей с несущим кузовом либо функции рамы выполняет сам кузов (обшивка с местным усилением), либо рама (или заменяющие её подрамники) конструктивно объединена с кузовом и не может быть от него отделена без нарушения структурной целостности (последний вариант иногда выделяют в отдельный тип автомобилей с интегрированной рамой). К отдельной раме кузов обычно крепится при помощи кронштейнов на болтах с толстыми резиновыми прокладками, служащими для уменьшения уровня вибраций, воздействующих на водителя и пассажиров.
К раме, как правило, крепятся все основные агрегаты автомобиля - двигатель , трансмиссия , мосты, подвески , рулевое управление. Вместе они образуют шасси . Рамное шасси представляет собой законченную конструкцию, которая, как правило, может существовать и передвигаться отдельно от кузова.
В настоящее время рамные шасси применяют главным образом на тракторах и грузовых автомобилях, но в прошлом многие легковые автомобили также имели рамное шасси. Также отдельную раму часто имеют «жёсткие» внедорожники.
В автомобилестроении различают следующие виды рам: лонжеронные , периферийные , хребтовые , вильчато-хребтовые , несущее основание , решётчатые (они же трубчатые, пространственные ).
История
Рамы появились на заре развития автомобильной техники. Отдельная рама была чисто автомобильным решением несущей системы , причём идея был позаимствована у железнодорожного транспорта, так как конные экипажи обходились деревянным каркасом кузова из-за существенно меньших нагрузок.
Изначально рамы делали из твёрдого дерева, реже - круглых металлических труб.
В первое десятилетие XX века получили повсеместное распространение рамы из штампованных профилей прямоугольного сечения, на грузовиках их конструкция и до нашего времени изменилась лишь в деталях.
В 1915 году Х. Хэйз (H.J. Hayes) предложил несущий кузов, выполняющий функции рамы. Реализована на практике эта идея была намного позже. В последующие годы несущие кузова получают всё большее распространение, и перед Второй мировой войной они уже были достаточно привычны. Массовыми они стали уже в послевоенный период.
В двадцатые годы чехословацкая фирма «Татра » разработала хребтовую раму, применив её на ряде легковых и грузовых моделей. Широкого распространения за пределами чехословацкого автопрома эта схема, впрочем, не получила (единственным без всяких оговорок массовым примером её использования «в чистом виде» был Фольксваген Жук , но его конструкция была частично скопирована как раз с разработок «Татры», что в послевоенные годы было подтверждено в ходе судебного разбирательства).
В тот же период времени появляются первые кузова с пространственной рамой, первым примером была Lancia Lambda 1922 года (иногда считается первым автомобилем с несущим кузовом, но скорее она имела трубчатую пространственную раму). Разработчики были вдохновлены конструкцией лодочных корпусов.
Практически одновременно на фирме «Обёрн» («Auburn») в США была создана лонжеронная рама с Х-образной поперечиной, объединявшая высокую крутильную жёсткость и относительную лёгкость.
Несущий кузов автомобиля Nash 1942 года.
В тридцатые годы в Европе всё больше производителей легковых автомобилей отказываются от рамы, применяя на своих конструкциях самонесущий кузов - но это ещё не были несущие кузова в полном смысле этого слова: в оконечностях их несущую структуру всё же образовали подрамники - своего рода короткие лонжеронные рамы, приваренные или, чаще, притянутые к кузову болтами.
Некоторые европейские автомобили тех лет, например довоенный Ford Prefect или КИМ-10 , имели сильно облегчённую раму, которая хотя и была физически отделена от кузова, но сама по себе не имела достаточной жёсткости для восприятия возникающих при движении автомобиля нагрузок, делая это лишь в сборе с полунесущим кузовом; такая рама служила для облегчения сборки автомобиля на заводе - на конвейере сначала к раме крепили все агрегаты, а затем её уже в подсобранном виде крепили к кузову.
Однако в США тех лет по прежнему большинство производителей продолжают выпускать автомобили с рамным шасси, во многом - из-за традиции ежегодного обновления дизайна: при рестайлинге меняли кузов, но рама могла оставаться практически без изменений многие годы. Американская фирма Nash, напротив, перешла на несущие кузова, но это её и сгубило: «Нэш» не поспевал за заданными лидерами рынка форсированными темпами обновления дизайна модельного ряда, так как в случае несущего кузова это было очень сложной и дорогостоящей задачей.
После Второй мировой войны, в Европе новые легковые модели строят преимущественно с несущими кузовами, в Америке же большинство производителей сохраняют приверженность отдельным рамам. По конструкции они были в целом подобны довоенным, - в большинстве случаев использовался тип с мощной Х-образной центральной поперечиной, - за исключением изменений, необходимых для установки независимой передней подвески (которая стала фактически стандартом на послевоенных легковых автомобилях) и некоторого снижения высоты лонжеронов относительно земли для облегчения входа и выхода из машины.
К 1948 модельному году американская фирма «Хадсон» (Hudson Motor Car Company) создаёт линейку моделей Step-Down («Шаг вниз»), у которых мощные пороги цельносварного несущего кузова , имевшего коммерческие обозначение Monobilt , по бокам охватывали пассажирский салон, пол которого был прикреплён к ним снизу. Входя в такую машину, человек переносил свою ногу через высокий порог, сначала поднимая её на его уровень, а затем опуская на десяток сантиметров до уровня пола (именно отсюда - «шаг вниз»); для тех лет это было очень необычно, так как у автомобилей с отдельной лонжеронной рамой пол пассажирского салона располагался непосредственно над её лонжеронами, на одном уровне с порогами. У «Хадсонов» на таком уровне располагались лишь поперечины силового набора кузова, расположенные под сидениями и не мешающие размещению пассажиров в салоне. Более низкое расположение пола пассажирского отделения позволило на тот же десяток сантиметров опустить и сидения, и крышу; автомобиль получился очень приземистым для тех лет, визуально более динамичным и обтекаемым, а расположение пассажиров - более рациональным. В такой кузов уже не входили, как в карету или автобус, а садились. При езде по неровной дороге пассажиров меньше укачивало, а крены в поворотах уменьшились, так как центр тяжести автомобиля была расположен ниже. По управляемости «Хадсон» не имел равных среди американских полноразмерных автомобилей до середины пятидесятых годов. Наконец, расположенные по бокам от салона мощные пороги хорошо защищали водителя и пассажиров при боковом столкновении.
В течение первых нескольких лет своего выпуска «Хадсоны» с несущим кузовом были коммерчески вполне успешными автомобилями. Однако со временем конкурентами были представлены модели с усовершенствованной конфигурацией отдельной рамы, которые приближались к ним по эксплуатационным качествам, но имели более современный дизайн, который можно было без серьёзных вложений варьировать каждый год не меняя несущей рамы, в то время, как любое серьёзное видоизменение несущего кузова «Хадсонов» затрагивало его несущие структуры и требовало по сути полного перепроектирования, что в до появления компьютеров и САПР было весьма непростой задачей. В результате уже во второй половине пятидесятых годов фирма «Хадсон» сошла со сцены, не сумев выдержать заданных конкурентами темпов обновления модельного ряда.
Более рациональным решением на тот момент оказался примененный ещё в довоенных моделях несущий кузов, у которого в оконечностях несущая структура представлена подрамниками, а внешние панели обшивки выполняют преимущественно декоративную функцию и крепятся на болтах, а не сваркой. Характерной в этом отношении может считаться конструкция несущих элементов кузовов отечественных автомобилей «Победа» ГАЗ-М-20 и «Волга» ГАЗ-21 : хотя их кузов и считался самонесущим, в его оконечностях имелись полноценные лонжеронные подрамники в виде коробчатых профилей, причём передний подрамник был конструктивно отъёмным и по сути представлял собой короткую, идущую до середины автомобиля, раму (причём именно так он и именовался в заводской документации). Задний подрамник был уже приварен к полу салона и багажного отделения и конструктивно не отделялся, но по конструкции всё ещё повторял заднюю часть обычной лонжеронной рамы.
На рубеже пятидесятых и шестидесятых годов некоторые фирмы пытались экспериментировать с более лёгкими хребтовыми и Х-образными рамами; например, в СССР Х-образную раму имела «Чайка» ГАЗ-13 1959 года, а в Америке - полноразмерные модели конца пятидесятых - первой половины шестидесятых. Но основная масса легковых автомобилей с рамным шасси сохраняла лонжеронные рамы, как правило - с Х-образной поперечиной, как у довоенных автомобилей, что предопределяло сравнительно высокое расположение пола пассажирского салона и центра тяжести.
Массовое распространение периферийных рам в США приходится на середину шестидесятых годов, что совпадает с массовым уменьшением высоты легковых автомобилей до разумного предела в 1300…1400 мм. Пассажирский салон, размещённый полностью между лонжеронами рамы, позволил придать кузову красивые пропорции, не поступившись простором. По эффективности использования пространства и рациональности размещения пассажиров автомобили с периферийной рамой лишь незначительно уступали несущему кузову, при этом в полной мере сохранялись возможность ежегодного рестайлинга без затрагивания несущих структур, сравнительная дешевизна сборки автомобиля, простота кузовного ремонта и иные преимущества отдельной рамы. Кроме этого, широко расставленные лонжероны в центральной части позволяли значительно улучшить пассивную безопасность при боковом ударе: у обычного автомобиля с лестничной лонжеронной рамой пассажиров сбоку защищают лишь сравнительно слабые и тонкие внешние пороги кузова (rocker panels) , у машины же с периферийной рамой - мощные лонжероны, играющие ту же роль, что и короба (внутренние пороги) у несущего кузова. С той же целью повышения пассивной безопасности в начале семидесятых годов в конструкцию рам американских автомобилей начинают вводить элементы запрограммированной деформации; например, на автомобилях Ford в передней части рамы появился S-образный деформируемый элемент, гасящий кинетическую энергию при ударе.
Марки же, принадлежащие Chrysler Corporation , в тот же самый период перешли на несущие кузова с длинным отдельным подрамником в передней части, прикреплённым к кузову на манер отдельной рамы - через толстые резиновые прокладки.
Рамы легковых автомобилей и внедорожников с середины шестидесятых - семидесятых годов и до настоящего времени практически не претерпели изменений, совершенствовались лишь технология производства (например, на новейших моделях рама изготавливается методом штамповки эластичными средами - «хайдроформинг»), а также заложенные в конструкцию рамы элементы пассивной безопасности (зоны запрограммированной деформации, более прочные крепления кузова, и так далее). Однако с тех пор их распространённость значительно уменьшилась: если ещё в конце семидесятых основная масса американских автомобилей, кроме «компактов» (compact cars) и «субкомпактов» (sub-compact cars) , имела отдельные от кузова рамы, - то в наши дни это в основном удел больших пикапов и внедорожников, а также редких моделей легковых автомобилей, конструктивно восходящих к семидесятым годам - например, Ford Crown Victoria и Lincoln Continental .
Несущий кузов, напротив, ждал длительный эволюционный процесс. В конце пятидесятых - шестидесятых годах появились несущие кузова, у которых подрамники отсутствовали, а нагрузки воспринимались уже исключительно внутренней обшивкой кузова (в основном полом и брызговиками крыльев), имеющей различные усилители в наиболее нагруженных местах, а также, в определённой степени, и его внешней обшивкой. Например, в кузове «Жигулей» и их итальянского прототипа Fiat 124 подрамники в виде фрагментов лонжеронной рамы как таковые конструктивно отсутствуют, а силовая структура передка образована нижними частями брызговиков передних крыльев, к которым изнутри приварены усилители в виде П-образных профилей, вместе с ними образующие замкнутое коробчатое сечение и, таким образом, с функциональной точки зрения исполняющие роль передних лонжеронов, на которые снизу крепится балка передней подвески, работающая также в качестве поперечины силового набора кузова. Образующие внешнюю обшивку передка кузова передние крылья и фартук переднего бампера в кузове «Жигулей» приварены к брызговикам, и наряду с ними воспринимают некоторую часть нагрузки, возникающей при движении автомобиля. Таким образом, этот тип несущего кузова является полумонококом - монолитной жёсткой конструкцией, у которой основную нагрузку воспринимает сама обшивка, а каркас максимально редуцирован, облегчён и не может быть физически отделён от обшивки. Это позволило ещё больше облегчить кузов при повышении его жёсткости, повысить его технологичность и удешевить производство, хотя конструкция и стала требовать большее высокой культуры производства, была более сложна в ремонте и менее живуча при эксплуатации по плохим дорогам.
Хотя несущие кузова с отдельными подрамниками и имели определённые преимущества с точки зрения ездового комфорта (в случае наличия между кузовом и подрамником резиновых прокладок), а также простоты и удобства ремонта, тем не менее соображения технологичности массового производства и обеспечения максимальной жёсткости оказались более весомыми, поэтому кузова современных автомобилей главным образом являются представителями именно данной ветви развития.
Современные несущие кузова представляют собой сложные конструкции, сваренные или склеенные из стальных - часто выполненных из высокопрочных легированных сталей - или алюминиевых штамповок и рассчитанные на наиболее эффективное поглощение энергии при деформации во время дорожно-транспортного происшествия, при этом сформированные обшивкой полости-короба вкупе с дополнительным усилением П-образными накладками, трубчатыми элементами, заполнением специальной полимерной пеной, и так далее - образуют вокруг пассажирского салона мощную «клетку безопасности», предохраняющую водителя и пассажиров. Термин «подрамник» по отношению к современному кузову обозначает уже не несущий элемент его конструкции, а лишь крепящийся к несущему кузову снизу облегчённый каркас, на котором для удобства конвейерной сборки автомобиля предварительно монтируются детали передней и задней подвески, двигателя, трансмиссии. Современные несущие кузова как правило не рассчитаны на восстановительный ремонт после серьёзных ударов, так как вне заводских условий невозможно обеспечить соблюдение геометрии кузова и воспроизведение заложенных на этапе его производство мер технологического характера, направленных на повышение пассивной безопасности автомобиля.
Конструкция
Отличительная конструктивная особенность любой рамы - разделение функций несущих (силовых, воспринимающих рабочие нагрузки) элементов кузова и его декоративных панелей. При этом сами декоративные панели также могут иметь свой усиливающий каркас, например, в районе проёмов дверей, но он практически не участвует в восприятии нагрузок, возникающих при движении автомобиля. Классификация рам производится на основании типа используемой в них несущей структуры.
Лонжеронные рамы
Лонжеронная рама с Х-образной поперечиной.
Классический вариант такой рамы напоминает по виду и конструкции лестницу, поэтому в обиходе её иногда могут называть лестничной (ladder frame). Лонжеронные рамы состоят из двух продольных лонжеронов и нескольких поперечин , также называемых «траверсами», а также креплений и кронштейнов для установки кузова и агрегатов . Форма и конструкция лонжеронов и поперечин могут быть различными; так, различают трубчатые, К-образные и Х-образные поперечины. Лонжероны как правило имеют сечение швеллера , причём обычно переменное по длине - в наиболее нагруженных участках высота сечения зачастую увеличена . Иногда они хотя бы на части своей длины имеют замкнутое сечение (короб). На спортивных автомобилях могли применяться трубчатые лонжероны и поперечины круглого сечения, имеющие лучшее соотношение массы и жёсткости. По распложению лонжероны могут быть параллельны друг другу, либо располагаться друг относительно друга под некоторым углом. Детали рамы соединяются заклёпками, болтами или сваркой. Грузовые автомобили обычно имеют клёпаные рамы, легковые и сверхтяжёлые самосвалы - сварные . Болтовые соединения находят применение обычно при малосерийном производстве . Современные тяжёлые грузовики также иногда имеют рамы, собранные на болтах, что значительно облегчает их обслуживание и ремонт.
Лонжеронная рама имеет обычно небольшую высоту и расположена практически целиком под полом кузова, а последний крепится к её кронштейнам сверху через резиновые подушки.
Лонжеронные рамы применяются практически на всех грузовиках, в прошлом широко применялись и на легковых автомобилях - в Европе до конца сороковых, а в Америке - до конца восьмидесятых - середины девяностых годов. На внедорожниках лонжеронные рамы широко применяются по сей день. Ввиду такого широкого распространения, обычно в популярной литературе под словом «рама» понимают именно лонжеронную раму.
К лонжеронным ряд источников относит также периферийные (часто выделяемые в отдельный тип) и Х-образные рамы (последние другими источниками классифицируются как разновидность хребтовых).
Периферийные рамы
Перевёрнутый универсал «Меркури», видна периферийная рама с широко расставленными в центральной части лонжеронами.
Иногда рассматриваются как разновидность лонжеронных . У такой рамы расстояние между лонжеронами в центральной части увеличено настолько, что при установке кузова они оказываются непосредственно за порогами дверей. Так как слабыми местами такой рамы являются места перехода от обычного расстояния между лонжеронами к увеличенному, в этих местах добавляют специальные коробчатые усиления, в англоязычных странах называемые термином torque box (аналогичные силовые элементы - раскосы - нередко имеются и на автомобилях с несущим кузовом в местах перехода от передних и задних лонжеронов к коробам).
Это решение позволяет существенно опустить пол кузова, разместив его полностью между лонжеронами, а следовательно - уменьшить общую высоту автомобиля. Поэтому периферийные рамы (англ. Perimeter Frame)
широко применялись на американских легковых автомобилях начиная с шестидесятых годов. Кроме того, расположение лонжеронов непосредственно за порогами кузова весьма способствует повышению безопасности автомобиля при боковом столкновении. Этот тип рамы использовался на советских легковых автомобилях ЗИЛ высшего класса начиная с модели .
Хребтовые рамы
Хребтовая рама грузовика «Татра».
Этот тип рамы был разработан чехословацкой фирмой «Татра» в двадцатые годы и является характерной конструктивной особенностью большинства её автомобилей.
Главным конструктивным элементом такой рамы является центральная трансмиссионная труба, жёстко объединяющая картеры двигателя и узлов силовой передачи - сцепления, коробки передач, раздаточной коробки, главной передачи (или главных передач - на многоосных автомобилях) , внутри которой расположен тонкий вал, заменяющий в этой конструкции карданный. При использовании такой рамы необходима независимая подвеска всех колёс, как правило реализуемая в виде крепящихся к хребту по бокам двух качающихся полуосей с одним шарниром на каждой.
Преимущество такой схемы - очень высокая крутильная жёсткость , кроме того, она позволяет легко создавать модификации автомобилей с различным количеством ведущих мостов. Однако ремонт заключённых в раме агрегатов крайне затруднён. Поэтому такой тип рамы применяется очень редко, обычно на грузовиках высокой проходимости с большим количеством ведущих мостов, а на легковых автомобилях совершенно вышел из употребления.
Вильчато-хребтовые рамы
Рама довоенной «Шкоды» с подмоторной вилкой в передней части.
Разновидность хребтовой рамы, у которой передняя, иногда - и задняя части представляют собой вилки, образованные двумя лонжеронами, которые служат для крепления двигателя и агрегатов.
В отличие от хребтовой рамы, как правило (но не всегда) картеры узлов силовой передачи выполняются отдельными, и, при наличии необходимости в нём, используется обычный карданный вал. Такую раму имели в числе прочих представительские автомобили «Татра» Т77 и Т87.
К этому же типу часто относят и Х-образные рамы , которые другими источниками рассматриваются как разновидность лонжеронных. У них лонжероны в центральной части очень сильно приближены друг к другу и образуют закрытый трубчатый профиль. Такая рама использовалась на советских автомобилях «Чайка» ГАЗ-13 и ГАЗ-14 высшего класса, а также многих полноразмерных легковых автомобилях General Motors
конца пятидесятых - первой половины шестидесятых годов.
Несущее основание
В этой конструкции рама объединена с полом кузова для повышения жёсткости .
Такую конструкцию имели в числе прочих «Фольксваген Жук » (впрочем, его рама благодаря наличию массивной центральной трубы ближе всё же к вильчато-хребтовой) и автобус ЛАЗ-695 . В настоящее время эта схема считается достаточно перспективной благодаря возможности на одной и том же несущем основании строить самые разные автомобили как на платформе.
Решётчатые
Также называются трубчатыми (tubular frame) или пространственными (spaceframe).
Решётчатые рамы имеют вид пространственной фермы из сравнительно тонких труб, часто выполненных из высокопрочных легированных сталей, которая обладает очень высоким отношением крутильной жёсткости к массе (то есть, они лёгкие и при этом очень жёсткие на кручение).
Такие рамы применяют либо на спортивных и гоночных автомобилях, для которых важна малая масса при высокой прочности, либо на автобусах, для угловатых кузовов которых она очень удобна и технологична в производстве.
Основное отличие кузова с пространственной рамой от несущего - то, что у него обшивка является чисто декоративной, часто - из пластика или лёгких сплавов, и вообще не участвует в восприятии нагрузки. С другой стороны - несущий кузов можно рассматривать как разновидность пространственной рамы, где практически всю нагрузку воспринимает обшивка, а собственно каркас, представленный П-образными и коробчатыми усилениями обшивки, до предела облегчён и редуцирован.
Интегрированная в кузов рама (Frame-in-body, UniFrame)
Такая рама повторяет по конструкции обычную, но физически неотделима от кузова, то есть, имеет с ним неразборное сварное соединение.
От обычного несущего кузов с интегрированной рамой отличается тем, что у первого имеются как максимум лишь подрамники в оконечностях, а интегрированная рама имеет настоящие лонжероны, идущие от переднего бампера до заднего. Такой кузов не имеет многих преимуществ отдельной рамы - гашения вибраций, лёгкости кузовного ремонта, простоты создания модификаций с различными типами кузовов на единой раме и других, но иногда оказывается несколько более удобным и дешёвым в производстве, чем несущий кузов, а также лучше воспринимает нагрузки, возникающие при перевозке грузов и движению по бездорожью. Этим и определяет круг использования такой конструкции в современном автомобилестроении - главным образом пикапы и внедорожники (кроме «жёстких»).
; однако, у кузова с решётчатой рамой из-за особенностей этого типа несущей структуры двери обычно либо отсутствуют вовсе, либо имеют очень высокие пороги, что делает её малопригодной для автомобилей общего назначения.
Другое дело, что например грузовику или вездеходу, в отличие от дорожного легкового автомобиля, больша́я жёсткость кузова на кручение часто и не нужна; более того - ограниченная способность плоской лонжеронной рамы деформироваться под действием закручивающих сил нередко улучшает проходимость, что наблюдалось в частности на грузовиках ЗИС-5 и ГАЗ-АА , клёпаная рама которых могла при закручивании деформироваться с амплитудой до нескольких сантиметров, что эквивалентно увеличению ходов подвески. Также работающую на скручивание раму имеют автомобили Унимог , причём деформация рамы для улучшения проходимости заложена в конструкцию изначально;
Рама является самым томным и металлоемким агрегатом автомобиля. Например, масса рамы грузового автомобиля может составлять около 10-15% от его сухой массы. Рамный автомобиль предназначен для работы в тяжелых критериях. Его рама воспринимает на себя все выпуклости дорожного покрытия, принимает скручивающие нагрузки, выдерживает вес автомобиля и должна держать форму при перепадах высот.
При всем этом рама автомобиля должна делать ряд требований: быть легкой, крепкой, иметь высшую технологичность при производстве и ремонте для уменьшения издержек. Также рама обязана иметь большой срок службы, превосходящий такой рок у агрегатов, установленных на ней. Твердость и крепкость рамы автомобиля должна обеспечивать неизменность расположения закрепленных узлов. Это условие должно производиться при всех положениях автомобиля и при всех скоростях.
Устройство рамы должно быть технологичным при производстве и вероятных ремонтах, должны обеспечиваться малые временные интервалы, наибольшая механизация, малые трудовые издержки. Должно обеспечиваться удобство обслуживания при ремонте и модернизации, возможность внедрения современных технологичных способов ремонта и восстановления.
Конструкция рам
Раму имеют все грузовые авто, вседорожники, некие автобусы, прицепы, полуприцепы. Наибольшее распространение получили лонжеронные рамы. Меньше используются хребтовые. Лонжеронные делят на лестничные, Х-образные, поперечные, с Х-образными поперечинами.
Для грузовых автомобилей, автобусов, прицепов в большинстве случаев используют лестничные рамы. Они ординарны в конструкции, довольно крепкие и нетребовательны в обслуживании.
Такая конструкция содержит две продольные балки, которые и именуются лонжеронами. Соединены лонжероны поперечными перемычками. Сечение в средней части лонжеронов больше, чем по бокам. Это позволяет достигнуть достаточной прочности, снизить центр масс автомобиля, получить более легкий доступ при установке подвески. Такие конструкции в большинстве случаев используют на двухосных грузовиках.
Трехосные авто имеют толщину рамы в средней и задней части схожую. Это связано с большенными нагрузками на заднюю часть рамы автомобиля.
Конкретно к лонжеронам обычно укрепляют узлы автомобиля. Это коробка, детали подвески, кузов. Поперечины присваивают раме еще огромную твердость. Производятся из низкоуглеродистой стали способом штамповки. К поперечинам крепится дополнительное оборудование, некие части мотора.
Крепятся поперечины к лонжеронам почаще заклепками или сваркой. Болтовые соединения не используют из-за вероятного раскручивания болтов при вибрациях. Сварку используют для прицепов и полуприцепов. Такая рама более жесткая, по сопоставлению с клепанной, места сварки дают ненужные напряжения. Также сварная рама наименее комфортна в ремонте.
В фронтальной части рамы устанавливают буксировочные крюки и буфер, который позволяет предохранить кузов автомобиля при легких ударах и столкновения. Сзади рамы обычно крепится тягово-сцепное устройство.
Лестничная рама
Устройство рамы лестничного типа имеет суживающиеся лонжероны в фронтальной части и расширяющиеся в задней. Такая конструкция позволяет прирастить угол поворота автомобиля. Расширение в задней части дает возможность установить большой кузов, наращивает колею задних колес, препятствует боковому наклону автомобиля.
Лестничная рама с изгибающимися лонжеронами в вертикальной плоскости в большинстве случаев применяется на рамных внедорожниках. Х-образная рама имеет трубчатую опору в фронтальной части. В ней находится карданная передача. Поперечины находятся в фронтальной и задней части. Кузов крепится в средней части рамы автомобиля. Такая суживающаяся рама позволяет прирастить угол поворота колес, имеет огромную крепкость на скручивание и извив, это достигается применением вильчатых поперечин и средней продольной опорой.
Лонжеронная рама
Последующей рамой, которую разглядим, является лонжеронная с X-образными поперечинами. Два параллельных лонжерона соединены меж собой перекрещивающимися поперечинами. При извиве такая конструкция имеет очень огромную твердость и сопротивляемость кручению. Сложность производства и обслуживания таковой рамы автомобиля позволяет использовать ее лишь на неких видах автомобилей и прицепах определенного предназначения.
Периферийная рама
Конструкция таковой рамы очень ординарна – это лонжероны замкнутого типа. Такая рама имеет свободную среднюю часть и в большинстве случаев применяется на легковых рамных автомобилях. С таким типом рамы создается дополнительный защитный барьер для автомобиля. Свободная средняя часть позволяет опустить низ автомобиля и таким макаром прирастить его устойчивость. Устройство рамы автомобиля такового типа предполагает извивы лонжеронов в вертикальной плоскости для роста угла поворота колес.
Большегрузные грузовики употребляют прокатные лонжероны и поперечины. Применяется малоуглеродистая низколегированная сталь. Она более крепкая, чем листовая (которую используют для штампованных лонжеронов). Масса таковой конструкции больше, чем у штамповки, потому масса рамы составляет около 15% от сухой массы автомобиля, что просит роста мощности силовой установки.
Хребтовая рама
Самая нераспространенная конструкция – это хребтовая. Бывают разъемные и неразъемные. Для легковых автомобилей используют неразъемные рамы, для большетонных грузовиков – разъемные.
Внедрение картеров устройств коробки в качестве несущих частей разъемной хребтовой рамы позволяет понизить на 15-20% свою массу автомобиля и уменьшить его металлоемкость.
Используют хребтовую раму для вэдовых грузовых автомобилей. Конструкция таковой рамы позволяет выдерживать огромные крутильные нагрузки, чем лонжеронные рамы.
Под автомобильной рамой понимается вид несущей системы балочной конструкции, который в настоящее время используется на легковых автомобилях повышенной проходимости, некоторых моделях спортивных автомобилей и грузовых автомобилях.
Автомобильные рамы работают при высоких нагрузках и являются ответственной частью автомобиля. Вес рам грузовых автомобилей с буферами и кронштейнами в сборе составляет до 10— 15% от собственного веса. Верхний предел относится к автомобилям большой грузоподъемности, в рамах которых применяют прокатные профили.
Для изготовления автомобильных рам применяют различные стали. Выбор марки стали диктуется рядом соображений, основные из которых определяются эксплуатационными и технологическими требованиями. Для удовлетворения эксплуатационным требованиям сталь должна обеспечивать конструкциям рам необходимую прочность в течение всего срока эксплуатации. Для удовлетворения технологическим требованиям сталь должна допускать изготовление рам и всех ее деталей с применением современных методов производства. Сталь должна обладать достаточной пластичностью, иметь стабильные механические свойства, хорошо свариваться.
Теоретические и экспериментальные исследования в области циклической прочности рам грузовых автомобилей показали, что наиболее опасные напряжения и выходы из строя автомобильных рам являются следствием кососимметричных нагрузок, возникающих при кручении несущей системы автомобиля.
До настоящего времени в практике проектирования автомобильных рам грузовых автомобилей не утвердилась практика выполнения прочностных расчетных обоснований для вновь создаваемых конструкций. Проектирование ведется в основном по прототипам с учетом проводимого расчета на изгиб от статической нагрузки с подбором оптимальной величины запаса прочности. Доводку конструкции рам частично производят в стендовых и полигонных условиях, но в основном переносят на стадию эксплуатационных испытаний. В то же время уже имеются результаты многочисленных исследований, посвященных разработке методов прочностных расчетов с использованием ЭВМ и методов ускоренных стендовых испытаний с моделированием характерных для эксплуатации режимов нагружения и управлением испытаниями с помощью ЭВМ. Они позволяют получать на стадии проектирования необходимую информацию о прочности и долговечности конструкции рамы.
Преимуществами рамной конструкции несущей системы являются простота, низкая стоимость, восприятие значительных нагрузок, унификация базовых моделей автомобиле. Вместе с тем использование рамы приводит к увеличению массы автомобиля. При проектировании и изготовлении автомобильных рам представляет определенную сложность реализация зон запрограммированной деформации в передней и задней части, тем самым снижается уровень пассивной безопасности.
К раме крепятся практически все узлы и агрегаты систем автомобиля: кузов, двигатель, трансмиссия, передняя и задняя подвески, системы управления и др. В совокупности они образуют шасси автомобиля.
В зависимости от конструкции различают следующие основные виды рам:
- лонжеронные,
- хребтовые или центральные,
- решетчатые или пространственные,
- комбинированные.
Самыми распространенными являются лонжеронные рамы . Лонжеронная рама объединяет две продольные балки (лонжероны) и, находящиеся между ними, поперечины.
Лонжерон представляет собой металлическую балку открытого или закрытого поперечного сечения (закрытый короб, швеллер, двутавр), обладающую большой жесткостью на изгиб.
В зависимости от типа автомобиля лонжероны могут устанавливаться:
- параллельно в горизонтальной плоскости;
- под углом в горизонтальной плоскости;
- изогнутыми в вертикальной плоскости;
- изогнутыми в горизонтальной плоскости.
Параллельная схема лонжеронной рамы применяется, в основном, на грузовых автомобилях. Остальные схемы используются на легковых автомобилях повышенной проходимости - внедорожниках. Расположение лонжеронов под углом позволяет добиться максимального угла поворота управляемых колес. Изгибы лонжеронов в вертикальной плоскости обеспечивают снижение центра тяжести, и соответственно низкий уровень пола в кузове автомобиля. Изогнутые в горизонтальной плоскости лонжероны понижают уровень пола в кузове, а также повышают уровень пассивной безопасности при боковом столкновении.
Поперечины служат для придания жесткости конструкции рамы. Поперечины могут иметь прямолинейную, К-образную или Х-образную форму. Поперечины изготавливаются из гнутого металлического профиля.
Лонжероны и поперечины между собой соединяются клепкой (грузовые автомобили) или сваркой (легковые автомобили). Для закрепления кузова, двигателя, агрегатов трансмиссии на раме установлены кронштейны различной формы. В теле лонжеронов и поперечин выполняются различные технологические отверстия.
Хребтовая рама состоит из продольной несущей балки и прикрепленных к ней поперечин. Центральная балка имеет, как правило, трубчатое сечение. Внутри балки располагаются отдельные элементы трансмиссии. Хребтовая рама обладает большей крутильной жесткостью по сравнению с лонжеронной рамой. Хребтовая рама предполагает независимую подвеску всех колес. Ввиду сложности конструкции хребтовая рама широкого распространения не получила и в настоящее время применяется редко.
Решетчатая рама применяется в конструкции спортивных автомобилей и автобусов. По своей сути она схожа с несущим кузовом. Решетчатая рама обеспечивает высокую жесткость на кручение при сравнительно небольшой массе.
Требования к несущим системам
Из основного назначения несущей системы - объединение в единое целое всех частей автомобиля - вытекают главные требования к ней - прочность и жесткость. Под прочностью понимают способность несущей системы воспринимать эксплуатационные на-грузки без поломок системы в целом или ее элементов, а под жесткостью - способность сохранять свою форму без остаточных деформаций и без недопустимых упругих деформаций при воздей-ствии тех же нагрузок.
В части прочностных свойств несущей системы наибольшее значение имеет усталостная прочность, поскольку она определяет срок службы системы, а часто и всего автомобиля, до предусмот-ренного нормативными документами на автомобиль капитального ремонта или списания. Таким образом, усталостная прочность (дол-говечность) несущей системы должна быть достаточной для обес-печения межремонтного или полного пробега автомобиля, но не должна быть слишком большой, поскольку это означало бы, что при конструировании в элементы несущей системы заложен из-лишний запас прочности, излишний материал, что сказалось бы на увеличенной массе, которую пришлось бы перевозить в течение всего срока службы автомобиля.
Статическая прочность несущей системы, ее способность восп-ринимать единовременные эксплуатационные нагрузки без поломок и остаточных деформаций, безусловно, должна быть достаточной, но в то же время при стандартных динамических воздействиях на автомобиль, имитирующих аварии (например, лобовое столкнове-ние), несущая система должна деформироваться таким образом, чтобы поглотить энергию удара и уменьшить динамические нагрузки до предусмотренных нормативными документами величин. С этой точки зрения деформация несущей системы и связанная с ней деформация кузова должна быть возможно большей, но в то же время внутри кузова должен сохраняться объем («пространство вы-живания»), достаточный для того, чтобы водитель и пассажиры травмировались в наименьшей степени и имели наибольшие шансы на сохранение жизни.
В части жесткости требования к несущим системам грузовых и легковых автомобилей существенно отличаются.
Жесткость кузова пассажирского автомобиля, легкового или ав-тобуса, должна быть возможно большей, чтобы кузов уверенно противостоял изгибам и перекосам.
К несущей системе грузового автомобиля, роль которой обычно играет рама, предъявляются иные требования. Если изгибная жест-кость рамы, т.е. способность противостоять изгибающим нагрузкам в вертикальной и горизонтальной плоскости, должна быть доста-точно большой, то крутильная жесткость, т.е. способность проти-востоять скручивающим нагрузкам при движении, например, по дороге с большими неровностями, напротив, не должна быть из-лишней. Конечно, имеются конструктивные возможности получить большую крутильную жесткость рамы, но это влечет за собой зна-чительное утяжеление конструкции в целом, поскольку в ее жестких узлах возникали бы высокие механические напряжения и, соот-ветственно, поломки. Относительно податливая на кручение рама деформируется без появления больших напряжений в ее узлах. К раме грузового автомобиля крепятся агрегаты и узлы, и в ряде случаев деформация рамы могла бы вызвать в корпусах этих агрегатов нежелательные нагрузки. Чтобы избежать этого, предусматривается упругое закрепление агрегатов, и они имеют крепление в трех точках. В этом случае перекосы рамы не могут вызвать соответствующих перекосов агрегатов. Таким образом закрепляется на раме грузового автомобиля, например, кабина или двигатель с коробкой передач. Выше упоминалось о том, что долговечность несущей системы должна соответствовать долговечности автомобиля в целом. При изготовлении деталей, входящих в несущую систему, чаще всего применяется низкоуглеродистая сталь, которая легко штампуется и сваривается. Но сталь подвержена коррозии. Кузов легкового автомобиля, например, выходит из строя обычно именно из-за коррозионного разрушения. Чтобы повысить долговечность несущей системы, предусматривается покрытие различными защитными со-ставами, которые предохраняют металл от воздействия влаги и солей. В ряде случаев для изготовления основания кузовов легковых ав-томобилей применяют оцинкованный металл или подвергают цин-кованию собранный кузов. Следовательно, одним из требований к несущей системе является ее достаточная стойкость к воздействиям окружающей среды.
Таким образом, требования к несущей системе во многом про-тиворечивы и требуют при ее конструировании высокого уровня инженерного искусства. При разработке конструкции несущей сис-темы и определении ее расчетной долговечности при движении автомобиля по различным дорогам применяются методы модели-рования напряжений в элементах конструкции.